雙碳背景下農(nóng)科院校能源與動(dòng)力工程專業(yè)燃燒學(xué)課程教學(xué)改革

摘要：燃燒學(xué)課程是雙碳背景下能源與動(dòng)力工程專業(yè)重要的必修課程，針對(duì)目前農(nóng)科院校工科專業(yè)教學(xué)和科研現(xiàn)狀，結(jié)合該門課程的復(fù)雜性、學(xué)科交叉性及技術(shù)更新迅速的特征，對(duì)適應(yīng)雙碳背景下人才需求的課程教學(xué)內(nèi)容和數(shù)學(xué)設(shè)計(jì)進(jìn)行了探討，提出適用性更強(qiáng)的教學(xué)方法和實(shí)踐手段，以拓展學(xué)生視野，激發(fā)學(xué)生自主學(xué)習(xí)能動(dòng)性，掌握本專業(yè)的知識(shí)應(yīng)用能力，培養(yǎng)適應(yīng)新能源戰(zhàn)略下的具有創(chuàng)新力和競(jìng)爭(zhēng)力的工程專業(yè)技術(shù)人才。

關(guān)鍵詞：碳達(dá)蜂；燃燒學(xué)；能源與動(dòng)力工程；本科教育；實(shí)踐教學(xué)，課程改革

中圖分類號(hào)：G642 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1795（2023）03-0120-04

DOI：10.19998/j.cnki.2095-1795.2023.03.022

0引言

化石燃料燃燒是我國(guó)主要的二氧化碳排放源，占全部二氧化碳排放的90%左右，為此，與燃燒相關(guān)的技術(shù)問(wèn)題越來(lái)越受到重視，培養(yǎng)適應(yīng)新形勢(shì)下的能源動(dòng)力工程專業(yè)人才迫在眉睫。傳統(tǒng)高校能源與動(dòng)力工程專業(yè)在人才培養(yǎng)過(guò)程中，存在理論與實(shí)踐脫節(jié)、授課模式單一、教學(xué)枯燥、未能與該領(lǐng)域最新技術(shù)發(fā)展相結(jié)合及原有知識(shí)體系更新緩慢等諸多問(wèn)題。作為能源與動(dòng)力工程專業(yè)的核心課程燃燒學(xué)在本科生教育教學(xué)中起到了舉足輕重的作用。讓學(xué)生了解燃料轉(zhuǎn)化過(guò)程和燃燒產(chǎn)物控制技術(shù)，掌握燃燒的基本原理和先進(jìn)技術(shù)，將有助于學(xué)生實(shí)現(xiàn)現(xiàn)行課程標(biāo)準(zhǔn)中的相關(guān)規(guī)劃目標(biāo)，為能源利用領(lǐng)域輸送高素質(zhì)人才，實(shí)現(xiàn)碳減排過(guò)程中關(guān)鍵人才的高效培養(yǎng)。

基于目前高等學(xué)枝燃燒學(xué)課程設(shè)置和授課的特點(diǎn)，結(jié)合多年的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，提出了一些基于雙碳目標(biāo)下燃燒學(xué)課程教學(xué)優(yōu)化和改革的新思路，以滿足我國(guó)高校培養(yǎng)更適應(yīng)國(guó)家戰(zhàn)略和發(fā)展的復(fù)合型能源與動(dòng)力工程專業(yè)人才的迫切需求。

1教學(xué)模式立體化構(gòu)建

基于現(xiàn)有本科教學(xué)課時(shí)的限制，僅僅運(yùn)用課堂教學(xué)時(shí)間想要將燃燒學(xué)教材內(nèi)容完全深入進(jìn)行講解比較困難，因此提出“3位一體”綜合化教學(xué)模式。將教學(xué)內(nèi)容由基礎(chǔ)到應(yīng)用層層深入（一是理論基礎(chǔ)，主要為燃燒以動(dòng)量、熱量、質(zhì)量傳遞為核心的燃燒空氣動(dòng)力學(xué)和化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)；二是基本原理和規(guī)律，燃料著火理論，不同燃料燃燒過(guò)程和特點(diǎn)；三是以實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰為目標(biāo)啟迪學(xué)生自主探索燃燒熱門科技命題，將理論轉(zhuǎn)化為運(yùn)用），以3種對(duì)應(yīng)的教學(xué)模式（多樣性課堂教學(xué)，結(jié)合慕課及微視頻等自主探索互動(dòng)解答和基于教師科研項(xiàng)目的創(chuàng)新訓(xùn)練），構(gòu)建基于主動(dòng)式學(xué)習(xí)的多維評(píng)價(jià)體系（傳統(tǒng)閉卷考試、視頻學(xué)習(xí)與解答、科研實(shí)踐和報(bào)告），從而調(diào)動(dòng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)和應(yīng)用的積極性，形成一個(gè)適應(yīng)時(shí)代需求的教學(xué)內(nèi)容學(xué)習(xí)方式一綜合評(píng)價(jià)的有機(jī)整體，鼓勵(lì)學(xué)生主動(dòng)參與教學(xué)，教師重點(diǎn)講授教學(xué)和適應(yīng)碳達(dá)峰要求的科研創(chuàng)新訓(xùn)練有機(jī)結(jié)合，相互促進(jìn)，提高學(xué)習(xí)效果。

1.1課程設(shè)計(jì)

（1）燃燒學(xué)課程內(nèi)容豐富，要合理對(duì)教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行課時(shí)分配。一方面確保課程內(nèi)容可以完整講授，另一方面也可以實(shí)現(xiàn)教師講、學(xué)生探索和科研創(chuàng)新3者結(jié)合，獲得良好的教學(xué)效果。

（2）鼓勵(lì)學(xué)生結(jié)合慕課及微視頻進(jìn)行學(xué)習(xí)分享，實(shí)行小組教學(xué)模式，由小組分工合作，尋找學(xué)習(xí)素材，積極探討，同時(shí)教師進(jìn)行有效引導(dǎo)，對(duì)自主探索過(guò)程進(jìn)行評(píng)價(jià)和監(jiān)督。

（3）以科研創(chuàng)新帶動(dòng)學(xué)習(xí)訓(xùn)練。通過(guò)參與教師相關(guān)課題、文獻(xiàn)閱讀、科研實(shí)踐等，鼓勵(lì)學(xué)生積極主動(dòng)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，并進(jìn)行有效解決，提高學(xué)生對(duì)燃燒相關(guān)領(lǐng)域的認(rèn)識(shí)Ⅲ。

1.2課程實(shí)施

根據(jù)教學(xué)內(nèi)容合理設(shè)計(jì)備課、教學(xué)和課后實(shí)踐等階段內(nèi)容?？梢詫⒔滩闹须y以理解和重要的定義、機(jī)理及技術(shù)原理等知識(shí)進(jìn)行著重教學(xué)。如在講解燃燒計(jì)算時(shí)，主要通過(guò)對(duì)化學(xué)方程式的回憶，掌握燃燒空氣量、煙氣量及耗氧量等各個(gè)計(jì)算公式的運(yùn)算方法，而不僅僅是對(duì)公式的機(jī)械記憶。在燃料理論基礎(chǔ)部分，不需要對(duì)燃燒定律的推導(dǎo)過(guò)程進(jìn)行死記硬背，而是要對(duì)燃燒定律、燃燒理論進(jìn)行掌握。對(duì)各種理論模型，也著重在于理解和解釋，對(duì)推導(dǎo)過(guò)程可以弱化；再根據(jù)碳達(dá)峰下燃燒學(xué)先進(jìn)技術(shù)運(yùn)用視頻等模式進(jìn)行介紹，也教授學(xué)生通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)等進(jìn)行自主學(xué)習(xí)探索；同時(shí)針對(duì)本科生的特點(diǎn)，選擇熱點(diǎn)課題進(jìn)行科研創(chuàng)新前沿探索，通過(guò)查閱文獻(xiàn)、實(shí)踐訓(xùn)練等，讓學(xué)生了解最新的燃燒技術(shù)（如微重力燃燒、富氧燃燒）、能源儲(chǔ)存和清潔燃燒等技術(shù)，引導(dǎo)學(xué)生從燃燒原理的角度對(duì)新技術(shù)進(jìn)行解釋和優(yōu)化。

2教學(xué)方法多元化實(shí)踐

2.1強(qiáng)化基本概念，突出重點(diǎn)難點(diǎn)

燃燒過(guò)程是一個(gè)化學(xué)熱力學(xué)與熱科學(xué)三傳現(xiàn)象耦合的復(fù)雜過(guò)程，產(chǎn)生了燃燒非線性動(dòng)力學(xué)特性，火焰結(jié)構(gòu)、火焰?zhèn)鞑ニ俣?、火焰穩(wěn)定與波動(dòng)，以及點(diǎn)火、熄滅、爆炸等眾多相變反應(yīng)與化學(xué)反應(yīng)融合的基礎(chǔ)知識(shí)，在講授過(guò)程中容易出現(xiàn)以下難點(diǎn)。①針對(duì)化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)、傳遞現(xiàn)象及阿累尼烏斯定律這些抽象的化學(xué)過(guò)程和物理本質(zhì)理解困難。②學(xué)生對(duì)層流預(yù)混火焰、射流火焰、擴(kuò)散火焰、液滴火焰和湍流火焰等缺乏直觀認(rèn)識(shí)，課堂教學(xué)過(guò)程中學(xué)生理解和形象化認(rèn)知困難。③著火與熄火及火焰?zhèn)鞑ズ头€(wěn)定性理論，包括不同燃料燃燒的變化規(guī)律、火焰?zhèn)鞑?、著火形式和條件等。

針對(duì)上述難點(diǎn)，在授課過(guò)程中，要及時(shí)幫助學(xué)生補(bǔ)充相關(guān)基本概念，通過(guò)聯(lián)想法和類比法，將燃燒定律與傳熱學(xué)、工程熱力學(xué)相關(guān)定律進(jìn)行類比和重復(fù)，幫助學(xué)生溫故知新，增加理解和記憶。

2.2聯(lián)系實(shí)際案例，開(kāi)展啟發(fā)式教學(xué)

在燃燒學(xué)課程講授過(guò)程中，要密切結(jié)合其他專業(yè)基礎(chǔ)課程如流體力學(xué)、熱力學(xué)和傳熱學(xué)等內(nèi)容，將教學(xué)內(nèi)容有機(jī)結(jié)合，深入淺出地將基本原理與實(shí)際應(yīng)用相結(jié)合。對(duì)傳統(tǒng)動(dòng)力裝置高效節(jié)能減排的需求進(jìn)一步推動(dòng)了燃料、燃燒理論和燃燒裝置等燃燒基本要素的創(chuàng)新與發(fā)展，結(jié)合碳達(dá)峰、碳中和背景，更可將國(guó)內(nèi)外燃料技術(shù)、新型燃燒裝置及技術(shù)作為課程教學(xué)與實(shí)踐重點(diǎn)更新內(nèi)容。對(duì)各類燃燒器實(shí)際運(yùn)用進(jìn)行分析，如射流燃燒器、旋流燃燒器和四角切圓燃燒鍋爐等，幫助學(xué)生深入理解氣、液和固燃燒不同的物理化學(xué)過(guò)程，理解燃燒過(guò)程的關(guān)鍵影響因素及控制方法，結(jié)合碳達(dá)峰和節(jié)能減排的戰(zhàn)略要求，了解燃燒過(guò)程的特征、燃燒產(chǎn)物的形成機(jī)理及控制方法。如固廢處置—一垃圾焚燒也在雙碳目標(biāo)中發(fā)揮自己的作用，成為環(huán)保固碳的新星。利用工業(yè)實(shí)際案例，當(dāng)下流行的AI工業(yè)大腦，對(duì)垃圾焚燒過(guò)程及煙氣處理進(jìn)行精準(zhǔn)控制，也是目前研究的新趨勢(shì)。

在課堂教學(xué)中，也可融人思政元素，進(jìn)一步加強(qiáng)學(xué)生的家國(guó)情懷和使命感。如我國(guó)載人航天事業(yè)經(jīng)過(guò)多年的探索與發(fā)展，取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步。這個(gè)過(guò)程中，各種與燃燒相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，離不開(kāi)一代代科學(xué)家的艱苦奮斗?！皟蓮椧恍恰钡难兄普?，自力更生、艱苦奮斗，在及其艱苦的環(huán)境中，運(yùn)用有限的科研和試驗(yàn)手段，頑強(qiáng)拼搏，突破了一個(gè)個(gè)技術(shù)難關(guān)，把個(gè)人理想與祖國(guó)命運(yùn)、民族復(fù)興聯(lián)系在一起，最終實(shí)現(xiàn)了原子彈、氫彈和人造衛(wèi)星尖端技術(shù)的突破。還有中國(guó)自主研發(fā)的大型飛機(jī)中液體燃料燃燒關(guān)鍵技術(shù)的突破和創(chuàng)新，也是科學(xué)家卓越奮斗的結(jié)果。目前運(yùn)用的各種燃料，作為未來(lái)能源的替代，也有很重要的實(shí)際意義。

2.3重視實(shí)踐教學(xué)，培養(yǎng)工程觀念

在實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，尤其是在碳達(dá)峰與碳中和背景下，傳統(tǒng)的試驗(yàn)內(nèi)容無(wú)法使學(xué)生創(chuàng)新性地獲取最新的研究成果，造成本科生畢業(yè)時(shí)，對(duì)實(shí)際問(wèn)題的專業(yè)認(rèn)識(shí)度低，無(wú)法對(duì)實(shí)際工程中的問(wèn)題運(yùn)用系統(tǒng)的專業(yè)理論知識(shí)來(lái)解決。目前大部分任課教師都是科研教學(xué)雙肩挑，因此，在教學(xué)過(guò)程中，教師應(yīng)該將創(chuàng)新性的科研成果融人到教學(xué)中，引領(lǐng)學(xué)生樹(shù)立創(chuàng)新性思維，提高對(duì)知識(shí)學(xué)以致用的有效轉(zhuǎn)化能力。傳統(tǒng)燃料分為氣體燃料、液體燃料和固體燃料3種類型，直接燃燒大量的固體燃料，是造成我國(guó)大氣污染的主要原因。在碳達(dá)峰背景下，水電、核電及新能源的占比將有所增加，但在我國(guó)，以煤為主的傳統(tǒng)能源結(jié)構(gòu)仍然是主流。因此，在教學(xué)設(shè)計(jì)中對(duì)燃料的選擇和相關(guān)的燃燒新技術(shù)實(shí)踐教學(xué)尤為重要。在氣體燃料中，天然氣是目前研究的熱點(diǎn)。通過(guò)教材的學(xué)習(xí)，學(xué)生可以掌握天然氣燃燒的基本原理，同時(shí)可以應(yīng)用傳統(tǒng)的本生燈實(shí)驗(yàn)，幫助學(xué)生掌握點(diǎn)火、燃燒和氣體層流燃燒特性。對(duì)于與天然氣燃燒相關(guān)的基于燃?xì)廨啓C(jī)燃燒基本工作原理、轉(zhuǎn)化特性、燃?xì)廨啓C(jī)汽輪機(jī)聯(lián)合應(yīng)用等內(nèi)容，就需要進(jìn)行融會(huì)貫通地深入講解，此時(shí)，傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)就無(wú)法滿足需求，通過(guò)課外實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，建立校企聯(lián)合培養(yǎng)模式，提供學(xué)生課外實(shí)地學(xué)習(xí)機(jī)會(huì)，將更有助于學(xué)生掌握氣態(tài)燃料的燃燒與應(yīng)用。在液體燃料中，可以搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，自制霧化燃燒器，運(yùn)用生物質(zhì)液體燃料的制備與燃燒等一系列實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，擴(kuò)充教材內(nèi)容，同時(shí)更好地幫助學(xué)生理解液體霧化、液滴燃燒等當(dāng)下熱門的燃燒學(xué)熱點(diǎn)問(wèn)題。這些新興的實(shí)驗(yàn)與實(shí)踐教學(xué)過(guò)程，相較于傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)，在雙碳目標(biāo)與節(jié)能減排、新能源利用過(guò)程中，更有助于學(xué)生培養(yǎng)工程觀念。

以專業(yè)課的理論知識(shí)為基礎(chǔ)，結(jié)合燃燒學(xué)科研究的新進(jìn)展設(shè)計(jì)適合于本科生知識(shí)體系的綜合性創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)課題是理論與實(shí)驗(yàn)相融合、提高學(xué)生運(yùn)用能力與創(chuàng)新能力的關(guān)鍵。

3教學(xué)手段合理化選擇

近年來(lái)，隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的大力發(fā)展，以雨課堂、慕課為主的多媒體教學(xué)成為教學(xué)過(guò)程中越來(lái)越重要的教學(xué)手段，可以積極調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。傳統(tǒng)教學(xué)中，對(duì)于液態(tài)燃料的燃燒過(guò)程，主要介紹石油的燃燒過(guò)程，在此背景下，運(yùn)用新的生物質(zhì)液體燃料進(jìn)行教學(xué)，可以幫助學(xué)生更容易樹(shù)立替代能源使用的意識(shí)。教師可以運(yùn)用動(dòng)畫(huà)模擬液體燃料噴霧燃燒在內(nèi)燃機(jī)、高壓霧化噴嘴燃燒器等設(shè)備中的霧化及燃燒過(guò)程，幫助學(xué)生掌握液態(tài)燃料所經(jīng)歷的霧化、蒸發(fā)、混合、著火及燃燒等多個(gè)階段。對(duì)于比較基礎(chǔ)和重要的教學(xué)內(nèi)容，尤其是基本概念和基本公式等，如空氣量及燃燒產(chǎn)物量計(jì)算方程的推導(dǎo)，仍采用傳統(tǒng)板書(shū)方式，這種方式不僅能提高學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)的重視程度，還能使學(xué)生清楚地了解知識(shí)點(diǎn)之間的關(guān)聯(lián)與邏輯關(guān)系。同時(shí)，也提倡運(yùn)用計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)的手段，解決燃燒學(xué)實(shí)驗(yàn)裝置投資較高，無(wú)法滿足大批量采購(gòu)實(shí)驗(yàn)設(shè)備的難題。利用CFD實(shí)驗(yàn)資源開(kāi)設(shè)數(shù)值模擬計(jì)算輔助教學(xué)實(shí)驗(yàn)課程，鼓勵(lì)學(xué)生通過(guò)課堂及課后自學(xué)等形式對(duì)復(fù)雜燃燒問(wèn)題的深入了解，加深對(duì)于燃燒過(guò)程中高效燃燒，控制排放等問(wèn)題的理解，培養(yǎng)創(chuàng)新性思維。

4考核機(jī)制優(yōu)化設(shè)計(jì)

在課程考核過(guò)程中，結(jié)合3位一體的教學(xué)模式，綜合考查學(xué)生在課堂表現(xiàn)、實(shí)踐技能和自主探索等整個(gè)課內(nèi)外學(xué)習(xí)過(guò)程的全面表現(xiàn)，改變傳統(tǒng)的以期末考試成績(jī)?yōu)橹鞯姆绞?，采用各?xiàng)成績(jī)累加式計(jì)分方法，避免學(xué)生只重視期末筆試，對(duì)知識(shí)點(diǎn)死記硬背。教學(xué)過(guò)程中，充分利用翻轉(zhuǎn)課堂的教學(xué)模式，可以將學(xué)生以宿舍為單位分組，采用每個(gè)課程模塊教學(xué)結(jié)束后，學(xué)生分組查閱相關(guān)資料，針對(duì)該模塊涉及的最新的科學(xué)問(wèn)題在課堂上進(jìn)行討論，并將小組表現(xiàn)進(jìn)行評(píng)分計(jì)人到期末成績(jī)中。同時(shí)著力培養(yǎng)學(xué)生的科研興趣和科研能力，將學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)和參與的科研實(shí)踐項(xiàng)目作為考察內(nèi)容，鼓勵(lì)學(xué)生通過(guò)提高查閱文獻(xiàn)能力、實(shí)際動(dòng)手能力等培養(yǎng)專業(yè)素養(yǎng)，更能夠在未來(lái)適應(yīng)就業(yè)和升學(xué)的需求。

5課堂教學(xué)改革效果

通過(guò)一系列教學(xué)創(chuàng)新和優(yōu)化，課程的教學(xué)改革成效顯著，主要體現(xiàn)在3個(gè)方面。

（1）緊密圍繞學(xué)科方向和國(guó)家戰(zhàn)略目標(biāo)，將教師科研和課堂結(jié)合有機(jī)結(jié)合，增加了學(xué)生學(xué)習(xí)的深度和廣度，同時(shí)將研究熱點(diǎn)、專利成果轉(zhuǎn)化、工程運(yùn)用有機(jī)結(jié)合，提升了課堂教學(xué)的實(shí)用意義。

（2）教學(xué)內(nèi)容和評(píng)價(jià)指標(biāo)更加具體，圍繞課程評(píng)價(jià)體系，將傳統(tǒng)單一授課模式向基于團(tuán)隊(duì)合作的形式開(kāi)展，通過(guò)直接和間接評(píng)價(jià)相結(jié)合的方式評(píng)價(jià)課程目標(biāo)達(dá)成度，教學(xué)成果更加突出，學(xué)生潛能進(jìn)一步得以開(kāi)發(fā)。

（3）教師團(tuán)隊(duì)在教學(xué)中也得到了充分的質(zhì)量提升，在課程評(píng)價(jià)、專業(yè)評(píng)價(jià)、教學(xué)思政項(xiàng)目及講課比賽中都獲得了提升和優(yōu)異的成績(jī)，激發(fā)了教師的教學(xué)熱情和科研水平，提升了專業(yè)人才培養(yǎng)質(zhì)量。

6結(jié)束語(yǔ)

燃燒學(xué)作為能源與動(dòng)力工程專業(yè)一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課，是本科先行課程工程熱力學(xué)、傳熱學(xué)及流體力學(xué)等知識(shí)的綜合運(yùn)用和交叉。針對(duì)目前國(guó)內(nèi)雙碳背景下對(duì)能源與動(dòng)力工程專業(yè)人才的需求導(dǎo)向，對(duì)燃燒學(xué)教學(xué)過(guò)程采取相應(yīng)的措施來(lái)改進(jìn)教學(xué)效果。運(yùn)用3位一體教學(xué)模式，在重視基本原理和基礎(chǔ)理論教學(xué)的同時(shí)也要重視燃燒先進(jìn)技術(shù)和裝備的實(shí)踐教學(xué)，不斷更新教學(xué)內(nèi)容，優(yōu)化教學(xué)模式，加強(qiáng)學(xué)生實(shí)踐能力和自主探索能力，培養(yǎng)適應(yīng)新能源戰(zhàn)略下的具有創(chuàng)新力和競(jìng)爭(zhēng)力的工程專業(yè)技術(shù)人才。